Por que o sinal desaparece repentinamente quando enrolo o jumper em meu dedo?
Enrolar um cabo de fibra óptica em torno dos dedos, causando uma interrupção súbita ou atenuação acentuada do sinal óptico, é um fenómeno físico típico causado pela perda por macrocurvatura (Macrobending Loss).
I. Mecanismo Físico da Perda por Macrocurvatura
A transmissão de luz com baixa perda na fibra ótica depende da condição de Reflexão Interna Total (Total Internal Reflection, TIR) satisfeita entre o núcleo (com índice de refração n_1) e a casca (com índice de refração n_2, onde n_1 > n_2). Quando a fibra ótica é dobrada, e o raio de curvatura é muito maior do que o comprimento de onda da luz e o diâmetro do núcleo (geralmente na ordem de milímetros a centímetros), a perda por radiação resultante é a perda por macrocurvatura.
1. Perspetiva da Ótica Geométrica: A Destruição do Ângulo Crítico de Reflexão Total
Numa fibra ótica reta, os raios de luz que se propagam axialmente incidem na interface núcleo-casca com um grande ângulo de incidência \theta, satisfazendo a condição crítica de reflexão total:
\theta > \theta_c = \arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right)
Quando a fibra ótica é severamente dobrada, a direção da normal à superfície externa da fibra é defletida, e o ângulo de incidência local do raio na interface diminui drasticamente. Uma vez que o ângulo de incidência é menor que o ângulo crítico de reflexão total \theta_c, a luz não consegue mais realizar a reflexão total; uma parte da potência luminosa é refratada diretamente através da interface para dentro da casca, convertendo-se num modo de radiação (Radiation Mode) que se dissipa para o exterior ou vaza para o ar.
2. Perspetiva da Ótica Ondulatória: Radiação do Campo Evanescente e Velocidade de Fase Excedente
Da análise das condições de fronteira do campo eletromagnético, o campo de modo fundamental não está completamente confinado ao núcleo, com parte da energia distribuída na casca adjacente ao núcleo na forma de onda evanescente (Evanescent Wave).
Numa guia de onda curvada, os planos de fase constante devem permanecer planos ao girarem em torno do centro de curvatura. À medida que a distância radial r do centro de curvatura aumenta, a velocidade de fase v(r) = \omega \cdot r da frente de onda externa também aumenta proporcionalmente. Ao atingir um diâmetro externo crítico r_c, a velocidade de fase necessária para manter a frente de onda excederá a velocidade intrínseca da luz no meio da casca (c / n_2). O campo evanescente externo que excede esta distância crítica não pode mais ser confinado à guia de onda como um modo guiado; a energia escapa da guia de onda, formando radiação contínua, o que leva diretamente a uma rápida perda de potência de transmissão.